emisores de luz infrarroja

7/23/2019 Emisores de Luz Infrarroja

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República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Educación Universitaria

Universidad Politécnica Territorial Del Oeste de Sucre “Clodosbaldo Russián” Cumaná, Estado Sucre

Emisores y Detectoresde luz infrarroja

Realizado por:Carlos Córdova C.I: 19.228.593

Sección 01- PNF Electrónica

Cumaná, Marzo del 2015



Introducción

En el campo tecnológico, específicamente en el área de las telecomunicacionesse manejan algunos conceptos utilizados en la electrónica como lo son lossemiconductores, los transmisores, amplificadores, señales luminosas, espectro

electromagnético, láser, entre otros.Cuando se trata de las comunicaciones ópticas, es necesario conocer en cómo se

realiza el intercambio informativo dentro de la fibra óptica, desde el tipo de luzmanejada hasta los elementos involucrados dentro del transmisor y del receptor.

Generalmente, la fibra óptica trabaja con la luz visible o con la luz infrarroja; elempleo de la misma varía según el tipo de fibra y aplicación involucrada (sea para lacorta o larga distancia); este último punto determina las características de la conexióncomo los emisores y los detectores de luz.

Los fototransmisores y los fotorreceptores básicamente son diodossemiconductores emisor y receptor respectivamente. Su empleo se debe a una mayorpracticidad en diseño. En el presente trabajo de investigación se da a conocer losemisores y receptores más usados en las comunicaciones ópticas y característicasresaltantes de cada uno de ellos.



Emisores y Receptores de Luz Infrarroja

Fuentes de luz láser

El láser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) se leconsidera coloquialmente a cualquier dispositivo capaz de emitir un haz de luz muypotente. Se trata de un dispositivo utilizado para concentrar la luz en un haz estrechode forma coherente y con suma eficacia.

Un dispositivo láser emplea la mecánica cuántica para poder generar ese haz deluz con tamaño, forma y dirección controlada. Los rayos de luz, cuando provienen delSol, viajan en forma radial con respecto a su fuente y disminuyen con la distancia. Unláser, en cambio, es una fuente lumínica que viaja en forma paralela y su energía nodisminuye con la distancia.

El láser está formado por un núcleo alargado de estructura cristalina (hecha derubí) o un tubo de vidrio que contiene gas. Junto al núcleo esta el excitador, elencargado de provocar la excitación lumínica de los electrones dentro del núcleo y eltercer componente son los espejos paralelos, que son colocados en ambos extremos delnúcleo. Uno de ellos permite el paso parcial de la luz, por donde sale el haz de luz de unláser. La radiación láser se caracteriza por una serie de propiedades como son:

Monocromaticidad: Emite radiación electromagnética en una sola longitudde onda, contrario a las fuentes convencionales como lámparas incandescentes(bombillas comunes) que radian entre la luz visible y el infrarrojo.

Direccionabilidad: La radiación láser se proyecta a largas distancias sin que

el haz disemine la misma cantidad de energía en un área mayor.



Coherencia temporal: La luz láser se transmite en una única dirección alestar constituido con rayos de la misma fase, frecuencia y amplitud.

Tipos de Láseres

Existen numerosos tipos de láseres clasificados según sus medios activos. Estemedio puede encontrarse en cualquier estado de la materia: sólido, líquido, gas oplasma.

El primer láser desarrollado por Maiman en 1960 utilizó como medio activo uncristal cilíndrico de rubí.

El láser de gas de CO2, que emite en el rango del infrarrojo, proporcionagrandes potencias y presenta un gran rendimiento; este tipo de láser es requerido ennumerosas aplicaciones: manufactura industrial, comunicaciones, soldadura y cortadode acero, entre otras.

El láser Nd:YAG pertenece al grupo de los láseres de estado sólido y emite en elrango del infrarrojo.

Los láseres de diodo están construidos con materiales semiconductores y soncada vez más cotizados debido a su menor tamaño y elevadas potencias de trabajo. Sinembargo la calidad de salida del haz es menor que con láseres.

Aplicaciones

Debido a las propiedades del haz láser, el rango de aplicaciones es amplísimo:Medicina (actúa sobre lesiones corporales), medición de distancias con alta velocidad yprecisión, seguridad en las tarjetas de crédito, procesado de materiales (corte,soldadura, marcado microscópico, etc.), código de barras, almacenamiento óptico y lalectura de información digital. Otra de las aplicaciones son las fotocopiadoras eimpresoras láser, o las comunicaciones mediante fibra óptica. Las aplicaciones para unfututo próximo son los ordenadores cuánticos, fusión nuclear y holografía.

Emisores y Receptores ópticos

Las fuentes ópticas son transductores electro-ópticos que convierten señaleseléctricas en señales ópticas. Las fuentes ópticas deben ser pequeñas y de bajo consumoal igual que poseer la capacidad de ser moduladas a altas velocidades, buena estabilidadcon la temperatura, alta pureza espectral y generar la mayor potencia posible.

Dispositivos emisores de luz

Los dispositivos emisores son aquellos que varían sus propiedades ópticas conla aplicación de un determinado potencial; es decir, se encargan de convertir la señaleléctrica en señal luminosa. Ello emitiendo haces de luz para la transmisión de datos.Ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente a las altas velocidadesde transmisión requeridas, con tan baja excitación y tan baja salida. Los emisores de luz

que existen para comunicaciones ópticas son de dos tipos:



Emisores de luz no coherente: Diodos Emisores de Luz ( Light Emitting Diodes).

Emisores de luz coherente: Diodos Láser Infrarrojos ( Infrared Laser Diodes).

Diodos LED: El LED ( Light Emitting Diode) es un dispositivo de unión PN que,además de permitir el paso de la corriente en un sentido, emite luz cuando se polarizadirectamente.

El proceso de generación de luz en un LED se basa en el efecto deelectroluminiscencia. Cuando se aplica tensión directa a la unión PN, se inyectanhuecos en la capa P y electrones en la capa N. Como resultado, se produce unarecombinación de portadores y se libera la energía que les ha sido proporcionada.

La energía luminosa emitida por el LED es proporcional al nivel de corriente dela polarización del diodo. Adicionalmente, dicho semiconductor emitirá una luz de uncolor diferente según el material (aluminio, galio, indio, fosforo, etc) empleado en sudiseñado.



Diodos Láser (LD): Un diodo láser, al igual que un diodo LED, es un diodosemiconductor compuesto por dos uniones: positiva (P) y negativa (N). Además cuenta

con un terminal para recoger la electricidad y un lente para enfocar el rayo láser.

El proceso de generación de luz en un diodo láser es similar al LED pero con unmenor volumen y con alta concentración de portadores inyectados. Esto consigue unaelevada ganancia óptica y un espectro de emisión muy estrecho que da lugar a luzcoherente.



Ventajas y Desventajas entre los diodos LED y los diodos Láser

1. El diodo láser comparte con el diodo LED aspectos comunes: su polarización(polarización directa), larga duración y estructuras similares (uniones P-N). Sinembargo, ambos poseen notables diferencias:

2.

El láser ofrece mejor rendimiento en grandes anchos de banda (50 GHz) y largoalcance. Para anchos de banda menores (no superan 1 GHz) y corta distancia seescoge el LED por su sencillez.

3. Los diodos LED son menos costosos y son usados en aplicaciones de bajo costoen donde requieren bajas tasas de transmisión. Los diodos Láser trabajan a velocidades más altas, disipan mayor energía y su costo es mayor.

4. Los diodos LED irradian una luz monocromática a una sola frecuencia, no estáen fase y se propaga en forma dispersa. En cambio, los diodos Láser producenuna luz coherente. Esta luz no sólo es monocromática sino que es monofásica(están en fase), resultando en un rayo de luz muy preciso.

Receptores Ópticos

Un receptor óptico consiste en un elemento detector y circuitos asociados que locapaciten para funcionar en un sistema de comunicaciones ópticas. El propósito delreceptor óptico es extraer la información contenida en la portadora óptica que incide enel fotodetector, por lo tanto actúan como un transductor óptico-eléctrico. En lossistemas analógicos el receptor amplifica la salida del fotodetector y después lademodula para obtener la información. En los sistemas digitales el receptor produceuna secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje

transmitido.

Una configuración básica es el receptor de detección directa, el fotodetectorconvierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de electrones. Después estacorriente es amplificada y procesada. Los fotodetectores más útiles son aquellos basados en semiconductores.

Los fotodiodos son los dispositivos más adecuados ya que con ellos se tienenfotodetectores con alta sensibilidad, rápida respuesta, poco ruido, bajo coste y una altafiabilidad. Los más comunes son los fotodiodos p-i-n y los fotodiodos de avalancha. Losfotodetectores más utilizados en las comunicaciones ópticas son el diodo PIN y elfotodiodo de avalancha (APD).

Fotodiodo o fotodetector PIN: El fotodiodo PIN es el detector más utilizada en lossistemas de comunicación óptica. El diodo PIN se compone de unas zonas P y Naltamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva.



Cuando al diodo se polariza inversamente, crea una zona desértica (libre deportadores) al acelerar las cargas presentes en esta zona intrínseca. Los fotones entranen la zona intrínseca y excitan a un electrón para pase de la banda de valencia a la banda de conducción, generando pares electrón-hueco o fotoportadores.

El proceso es rápido y eficiente. Son fáciles de fabricar, altamente fiables, tienen

bajo ruido y son compatibles con circuitos amplificadores de tensión. Además essensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia.

Fotodetectores de Avalancha APD (fotodiodos de avalancha): Se trata dediodos de unión PN polarizados en inversa cerca de la región de ruptura, por lo quepresentan elevadas tensiones y origina un efecto multiplicativo de la corrientegenerada.

Al aplicar alto voltaje de polarización, los portadores libres se desplazanrápidamente y con mayor energía liberando nuevos portadores secundarios alcolisionar con otros átomos del semiconductor, produciendo más pares electrón-hueco.

Este proceso de ionización por impacto se llama efecto avalancha.

Cuando a un fotodetector se le aumenta el voltaje de polarización la corrienteaumenta por el fenómeno de avalancha, si en esta región se controla dicho fenómenolimitando la corriente (antes de la destrucción del dispositivo), la sensibilidad delfotodetector se incrementa. Su aplicación es limitada debido a sus elevadas tensionesde polarización (algunos centenares de voltios).



Conclusión

El espectro electromagnético, como es de conocer, es una tabla en la cualcomprende todas las frecuencias manejadas por el hombre; luz infrarroja, luz visible yluz ultravioleta. Estos tres tipos de luz (por así decirlo) son manejados de una u otra

modalidad en el área electrónica, principalmente en el área de las comunicacionesópticas. Fibra óptica, láser lector del DVD y el control remoto son los más clarosejemplos aplicados a la vida cotidiana.

En el caso específico de las comunicaciones vía fibra óptica, básicamente sedivide en tres bloques: emisor, medio y receptor. El emisor lo componen los diodosLED y de inyección láser (ILD), se emplean éstos por su poca corriente de consumo (20o 40 mA máximo según su tipo de diseño) y facilidad de empleo; aunque en cuanto aabaratamiento de costos y durabilidad el diodo LED resulta el más indicado para talpropósito. Dichos diodos son usados después de un circuito voltaje-corriente y losdecodificadores. El medio resulta la misma fibra en sus distintas variantes (monomodo y multimodo). Para el área receptora también se emplean diodos semiconductores,

pero en este caso son los diodos PIN y de avalancha (APD) los cuales convierten la luzen cambios de intensidad; a diferencia del sector emisor, se emplean previo a circuitosconversores corriente-voltaje.

Una variante de los semiconductores mencionados, de la categoría de diodosespeciales, son los diodos IR que pueden emplearse en los emisores de luz, aunque noson muy comunes, y ellos se encuentran en cualquier artefacto a control remoto:televisores, aires acondicionado, equipos de sonido, reproductores DVD y otros equiposde mando a corta distancia.

El láser es una de las tecnologías más difundidas en la tecnología desde su invención aprincipios del siglo XX, ello por su luz enfocada y concentrada. Ideal para una amplia

variedad de ámbitos y tamaños: informática, aplicaciones científicas, militares,construcción, entre otras. El ejemplo más claro dentro de la fibra óptica son en losdispositivos fotoemisores. Los diodos láser no solamente en la fibra sino también soncomunes hallarlos en lectores de discos como las unidades CD/DVD.

En resumen diodos LED, ILD, PIN y APD así como los diodos IR no sólo seaplican al área de las comunicaciones (fibra óptica) sino a otros campos y artefactospresentes en la vida cotidiana; aunque el mayor crédito se lo llevan los diodos LED porser la tecnología más imperante en la actualidad al causar revolución en iluminación ydiseño de pantallas.



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